技術 | 水泥窯爐NOx原位還原超低排放技術及示范
摘要：針對水泥窯爐氮氧化物排放標準日趨嚴格，本文創新性提出了適用于燃煤水泥窯爐的原位還原脫硝技術，該技術具有脫硝效率高、成本低、環保兼容性好、工程現場易實施等優點。中試驗證結果顯示：原位還原脫硝技術的脫硝效率可達到60%~80%。在此基礎上，原位還原脫硝技術在2 500 t/d水泥窯爐上進行了工程示范應用。第三方測試結果表明，在較少噴氨量和煤耗略降低條件下，水泥窯爐氮氧化物排放達到80 mg/m3。中試與工程示范結果表明，原位還原脫硝技術用于燃煤水泥窯爐氮氧化物減排是可行的，該技術的提出為水泥工業實現超低排放提供了一條新的技術途徑。
我國是水泥生產和消費大國，根據國家統計局最新數據顯示，2019年全國累計水泥產量23.3億t，而最新數據顯示2020年的水泥產量超過了這一水平，達到23.77億t。水泥工業雖然支撐了我國經濟發展，但是煅燒水泥熟料的工業窯爐同時也是環境污染的重要源頭。目前，我國水泥工業NOx年排放量超過百萬噸，占到全國年排放總量的10%~12% [1]，已成為繼熱力發電和交通運輸之后的第三大NOx排放源，是引起霧霾天氣的主要成因之一，嚴重危害大氣環境和人類健康。實現水泥窯爐超低NOx排放，是我國當前和今后很長一段時期內面臨的重大戰略需求和緊迫任務，對于我國大氣污染綜合治理和打贏藍天保衛戰都具有重要戰略意義。
我國現行水泥工業大氣污染物排放標準規定，一般地區NOx排放不高于400mg/m3，重點地區NOx排放不高于320mg/m3。然而，面對日益嚴峻的環保壓力，一些地方省市地區針對水泥窯爐相繼出臺了更高的NOx排放標準，例如，河南省和江蘇省將標準提高到了100 mg/m3，河北唐山更是提高到了50 mg/m3。我國水泥產量基數巨大，雖然國內水泥行業經過幾十年的高速發展，污染物減排方面取得了長足的進步，但每年排放的污染物總量仍然巨大，對環境造成較大壓力，要求水泥工業實現潔凈生產和超低排放的呼聲越發高漲。NOx的減排任重道遠。
1 水泥工業脫硝技術研發現狀
水泥窯爐常采用的脫硝技術包括低氮燃燒器、分級燃燒、選擇性非催化還原（Selective Non-catalytic Reduction，SNCR）、選擇性催化還原（Selective catalytic Reduction，SCR）、燃燒和流場優化等技術。
1.1 低氮燃燒器
低氮燃燒器已在水泥行業得到廣泛應用，但主要用于回轉窯。由于回轉窯固有的高溫煅燒工藝，加之回轉窯生產工況多變，其脫硝效率僅為10%左右。
1.2 分級燃燒技術
分級燃燒技術，是將分解爐所用煤粉燃料或者燃燒所用空氣進行分級多點配送，在保證燃料燃燒效率的前提下盡可能多的營造出還原性氣氛區域，一方面降低NOx的生成，另一方面將來自回轉窯的NOx還原成N2，以達到NOx減排目的。對于干法水泥生產工藝而言，分級燃燒是較為經濟的NOx減排方法。單獨應用分級燃燒技術時的脫硝效率僅為15%~20%。
1.3 SNCR脫硝技術
SNCR是目前水泥窯爐普遍采用的一種脫硝技術，受制于反應動力學條件，脫硝效率在50%左右，主要采用向分解爐或者分解爐出口煙道噴灑氨水或者尿素的形式實現NOx的還原，由于其有效運行溫度在850~1 100 ℃范圍內，因此噴灑位置只能位于分解爐或者分解爐出口與末級旋風筒入口之間的煙道上，極大限制了該技術在其他工藝環節中的應用。SNCR技術也很難適應和滿足水泥工業日益嚴苛的排放標準和環保要求。
1.4 SCR脫硝技術
SCR技術脫硝原理與SNCR類似，由于催化劑的使用，其脫硝效率可提高至90%左右，大大減少了氨水用量，目前雖已在大型工業鍋爐以及電站鍋爐領域得到廣泛應用，但在水泥窯爐的應用卻十分有限。國外方面，早在2000年，德國的Solnhofen水泥廠就安裝了歐洲第一套SCR脫硝裝置，不過在2005年已停用，目前尚在運行的SCR脫硝水泥生產線有意大利的Monselice、Sarche和Rezzato，德國的Mergelstetten和Ronhrdorf，奧地利的Mannersdorf和Kirchdorfer，以及美國Joppa 水泥廠的8條生產線。國內方面，首套SCR脫硝示范裝置于2018年10月在河南登封宏昌水泥公司建成，該示范裝置實現了低于50 mg/m3的NOx排放，不過投資成本相對較大。另外為了降低SCR反應器規模，減少投資成本，前端仍然配備了SNCR系統，將進入SCR反應器的煙氣中的NOx濃度提前降至400 mg/m3。SCR技術目前常采用釩系催化劑，其反應活性溫度在300~400 ℃之間，而這個溫度范圍對應的水泥生產工藝環節正好處于一級預熱器（C1）出口位置，該處煙氣含塵量極高，對催化劑形成沖刷磨損且催化劑通道易被堵塞。與此同時，由于煙氣中含有堿金屬等復雜成分，容易引起催化劑中毒失活。目前，國內外眾多學者都在致力于中低溫SCR催化劑的研發，以避開C1出口的高塵環境，其中清華大學李俊華教授和中國建筑材料科學研究總院的汪瀾教授在這方面取得了很好的研究進展，各自在國家重點研發計劃項目的支持下都建立了示范工程（河南登封宏昌水泥與浙江長興南方水泥，均為5 000 t/d生產線），如果所研發的催化劑能夠得到大規模商用，中低溫SCR脫硝技術將值得期待。
1.5 燃燒和流場優化技術
優化分解爐內的燃燒和流場分布，是降低NOx排放的另一條技術途徑。國內包括華中科技大學、武漢理工大學、華南理工大學、清華大學以及北京航空航天大學等在內的多家單位，對分解爐內的流場組織和優化[2]、氮氧化物釋放特性與生成機理[3]、以及氮氧化物還原特性[4]等展開了大量的研究工作，取得了很好的研究進展。然而，由于水泥分解爐內部環境非常復雜，涉及煤粉/煤焦/揮發分的燃燒、水泥生料（CaCO3）吸熱分解、氣固兩相流動傳熱傳質以及NOx還原等物理化學過程，多場耦合且具有較高固氣比的特點，給分解爐內的流場優化研究帶來了較大困難，研究結果往往不能真實反映爐內實際情況，使得研究結論對實際生產的指導作用有限，而且通過優化分解爐內的燃燒和流場帶來的NOx減排收益也非常有限。
另外，還有熱炭催化還原技術，燃煤飽和蒸汽催化燃燒脫硝技術等。本文主要介紹筆者團隊提出的原位還原脫硝技術的特點及效果。
2 原位還原脫硝技術
在中國科學院潔凈能源A類戰略性先導科技專項的資助下，中國科學院工程熱物理研究所循環流化床實驗室團隊針對水泥窯爐現有脫硝技術面臨的問題，在不改變主要生產工藝流程的情況下，創新性提出了適用于燃煤水泥窯爐的原位還原脫硝技術[5]，下面對其技術原理、技術特點、可行性驗證結果以及示范應用效果進行詳細介紹。
2.1 技術原理與特點
原位還原脫硝技術原理如圖1所示。與原有工藝流程直接向分解爐給入冷煤粉相比，該方法利用還原爐對煤粉進行預熱處理，原分解爐給煤改為從還原爐給入并進行自持預熱，以獲得高溫氣固二元燃料 （煤焦和煤氣），之后進入分解爐內燃燒，為水泥生料分解提供熱量。煤粉經過預熱處理后，一方面，一部分燃料氮在還原爐中直接轉化為氮氣，減少了燃料型NOx的生成，實現分解爐煤燃燒NOx原位脫除；另一方面，獲得的高溫燃料與冷煤粉相比具有更強的還原性，進入分解爐后，可對窯氣中的高濃度NOx進行強還原。該技術對現行水泥生產工藝改動較少，因而投資和運行成本與現有技術相比具有較大優勢，而采用獨特的煤粉預熱形式，更使得分解爐可以燃用劣質煤和粗顆粒煤，拓展了分解爐的燃料適應性，同時可以達到節能效果。
2.2 技術可行性驗證
在實驗室條件下，對原位還原脫硝技術的可行性和有效性進行了試驗驗證，驗證平臺示意見圖2。
試驗平臺主要由還原爐、分解爐、燃氣熱風爐、煙氣冷卻器、布袋除塵器、以及測控系統等組成。燃氣熱風爐用于產生高溫煙氣，以模擬回轉窯窯尾出口窯氣，通過與高濃度NO氣體混合，可以調節窯氣中的NO濃度。煤粉經過還原爐預處理后產生高溫氣固二元燃料，并進入分解爐內燃燒，為水泥生料分解提供熱量。還原爐處理煤量5 kg/h，分解爐高度7.5 m，分解爐溫度900 ℃，窯氣量與分解爐煙氣量按照實際回轉窯與分解爐給煤比例設計。試驗過程中，參照實際回轉窯窯尾煙氣溫度和NO濃度，通過調節燃氣熱風爐參數和NO配氣流量，將模擬窯氣溫度控制在1 000 ℃左右，同時將模擬窯氣中NO濃度控制在1 200 ppm，待分解爐內燃燒狀態完全達到穩定狀態后，測量分解爐出口煙氣的NOx濃度。試驗結果顯示原位還原技術的脫硝效率在60%~80%[5]，且受到還原爐運行條件（還原爐溫度、燃燒份額）以及分解爐配風條件等因素的影響。驗證結果表明，原位還原脫硝技術用于燃煤水泥窯爐脫硝是完全可行的，而且具有良好的脫硝效果。
2.3 工程示范應用效果
基于中試驗證結果，原位還原脫硝技術在寧夏某燃煤水泥窯爐生產線上獲得了工程示范應用。該水泥窯爐設計熟料產量2 500 t/d，實際產量2 900 t/d左右，采用五級懸浮預熱和窯外預分解工藝，采用SNCR脫硝技術，氨水噴灑位置位于分解爐出口與C5進口之間的煙道上。圖3所示為2 500 t/d水泥窯爐低NOx技術示范工程概貌。
在示范工程投運期間，委托水泥行業權威檢測機構對水泥窯爐氮氧化物實時排放情況進行了第三方測試，圖4所示為示范工程投運情況下4 h內NOx排放濃度測試情況，圖中數據為根據10% O2的折算值。測試期間，噴氨量穩定在250 L/h左右（同等規模水泥窯爐的噴氨量一般控制在400~500 L/h）。從圖示數據可以看出，大部分時間內NOx排放濃度較為平穩，波動幅度很小，測試期間NOx排放的平均值為80 mg/m3，實現了NOx超低排放。鑒于現場實施條件的限制，原位還原技術尚有很大的優化空間，其脫硝能力還可以得到進一步提升，這也是研發團隊未來的研究重點。
測試期間，對水泥熟料生產的煤耗數據進行了記錄，示范工程投運前的平均煤耗約144.6 kg/t熟料，投運期間的平均煤耗約為141.5 kg/t熟料，原位還原脫硝技術并不會增加水泥熟料生產煤耗。
3 結論
（1）水泥工業NOx超低排放勢在必行，原位還原低氮技術中試結果表明，該技術可以顯著降低氮氧化物排放，試驗條件下的脫硝效率可達60%~80%。
（2）2 500 t/d水泥窯爐應用原位還原脫硝技術后，在較少噴氨量及煤耗略降低的條件下，NOx排放達到80 mg/m3，實現了水泥窯爐NOx超低排放。
（3）原位還原脫硝技術可以顯著降低燃煤水泥窯爐氮氧化物排放，為水泥工業實現超低排放提供了一條新的技術路徑。
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